塑料中三价铬，六价铬检测方案(快速溶剂萃取)

色Chinese Journal of ChromatographyVol.30 No.4409~4132012年4月April 2012 色 谱第30卷·410· 快速溶剂萃取-离子色谱法同时测定塑料中的三价铬和六价铬 虞锐鹏， 胡忠阳?， 叶明立"， 车金水2* (1. 江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡214122；2.赛默飞世尔科技有限公司上海实验室，上海201203) 摘要：建立了采用快速溶剂萃取-离子色谱同时测定塑料中三价铬和六价铬的方法。三价价和六价铬分别以吡啶-2，6-二羧酸(PDCA)和1，5-二苯卡巴肼(DPC)作为络合剂在柱前和柱后进行衍生化，分别在紫外和可见波长长采用紫外检测器进行检测，灵敏度高，基体干扰小。本方法对三价铬和六价铬的检出限分别为5.0 ug/L 和 0.5ug/L；另别在50~1000 pg/L 和5.0~100 pg/L 范围内呈现良好的线性关系，线性相关系数分别为0.9994和0.9998；三价铬和六价铬的回收率范围为90.7%~101.1%，相对标准偏差(RSD)为1.7%~4.4%。该方法分析速度快、灵敏度高、重现性好，可用于塑料中三价铬和六价铬的同时测定。 关键词：加速溶剂萃取；离子色谱；三价铬；六价铬；塑料 中图分类号：O658 文献标识码：A 文章编号：1000-8713(2012)04-0409-05 Simultaneous determination of trivalent chromium andhexavalent chromium in plastics by acceleratedsolvent extraction-ion chromatography YU Ruipeng， HU Zhongyang'， YE Mingli， CHE Jinshui?* (1. State Key Laboratory of Food Science and Technology， Jiangnan University， Wuxi 214122， China；2. Shanghai Lab.， Thermo Fisher Scientific Inc.， Shanghai 201203， China) Abstract： A method based on accelerated solvent extraction-ion chromatography (ASE-IC)was developed for the simultaneous determination of trivalent chromium (Cr(Ⅲ)) and hexava-lent chromium (Cr(Ⅵ)) in plastic samples. The accelerated solvent extraction was employedas the pretreatment method for the simultaneous extraction of the Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) from thesamples. Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) were derivatized with 2，6-pyridinedicarboxylic acid (PDCA) and1，5-diphenyl-carbazide (DPC)， and detected by an ultraviolet-visible(UV-Vis) detector at UVand visible wavelengths， respectively.，. The results showedthat the limits of detection forCr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ) were 5.0 ug/L and 0.5 ug/L and the good linearities of the calibrationcurves for them were in the ranges of 50-1000 ug/L (r’=0.9994) and 5.0-100 ug/L (r=0.999 8)， respectively...The recoveries were between 90.7% and 101.1% with the relativestandard deviations (RSDs) of 1.7%-4.4% for Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ). The method is sensitive，reproducible and adaptable to the simultaneous determination of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) in theplastic samples. Key words： accelerated solvent extraction (ASE)； ion chromatography(IC)； trivalent chro-mium； hexavalent chromium； plastics 六价铬(Cr(Ⅵ))在塑料中主要用于塑料的金属化处理、着色、刻蚀及获得某些特异功能(如耐极限温度和压力)等处理过程；同时六价铬具有良好 的电子层结构，也广泛地应用于装饰用塑料灯具中。欧盟“关于在电子电器中限制使用某些有害物质指令”(RoHS 指令)对六价铬在电子电气设备 ( *通讯联系人：车金水，硕士，工程师，主要从事仪器分析.E-mail： chejinshui@ hotmail. com. ) ( 基金项目：国家自然科学基金项目(20977042，21175060). ) 中的使用进行了限制，规定六价铬的含量不得高于0.1%[2，3]。由于三价铬(Cr(Ⅲ))和六价铬可以通过氧化还原作用相互转化，并且三价铬、六价铬都具有一定的毒性，因此同时检测三价铬和六价铬的含量更具有重要意义。2009年欧洲玩具指令(2009/48/EC)中也规定了三价铬和六价铬在各种玩具中的限量，三价铬和六价铬的限量最低达到了9.4mg/kg 和0.005 mg/kg41. 目前对于 Cr(Ⅵ)的检测，我国国家标准方法仍/采用分光光度法，但分光光度法对于颜色较深样品的检测存在误差，且无法检测痕量 Cr(Ⅵ)55-11。对于 Cr(Ⅲ)含量，一般采用先测出铬的总量，再用差减法求出Cr(Ⅲ)的含量。这些方法比较麻烦，且存在较大的误差。随着光谱、色谱技术的发展，测定Cr(Ⅲ)和 Cr(Ⅵ)的技术大大提高，相关方法不断涌现，如液相色谱-电感耦合等离子体原子发射光谱质谱联用法(LC-ICP-MS)[8]、离子色谱-电感耦合等离子体原子发射光谱质谱联用法(IC-ICP-MS)[9，10]、离子色谱-紫外检测法(IC-UV)[11，12]等。采用新型检测方法后，对三价铬和六价铬的检测灵敏度明显提升。 对于塑料样品，采用浸提法、搅拌法、超声提取法等方法进行样品前处理时，样品易漂浮于液面上，影响萃取效果；且这些方法萃取时间较长，操作较为复杂，不易实现自动化。加速溶剂萃取技术(accel-erated solvent extraction， ASE)是在较高的温度和压力下用溶剂萃取固体或半固体样品的新颖的样品前处理方法。在高温高压条件下，待测物从基体上的解吸和溶解动力学过程加快，可大大缩短提取时间，减少溶剂的用量，同时提高对目标产物的提取率13-151。。本实验采用 ASE 对塑料样品中的三介铬和六价铬同时萃取，并在高温下对三价铬进行柱前衍生，萃取液直接进行离子色谱分析，于365 nm 波长下对三价铬检测，经柱后衍生后于530 nm 波长下对六价介进行检测。同时本文优化了 IC-UV 方法，提高了分析方法的检测灵敏度。该方法已成功地用于测定塑料及塑料制品中的三价铬及六价铬，具有良好的灵敏度及加标回收率。 实验部分 1.1 材料、试剂和仪器 ASE350快速溶剂萃取仪、ICS-1500 离子色谱仪、Ultimate 3000 可变波长紫外可见检测器、AXP泵和375 uL编结反应管均购自美国赛默飞世尔公司。 吡啶-2，6-二羧酸(PDCA，纯度99%)购自Aldrich 公司；1，5-二苯卡巴肼(DPC，分析纯)购自上海三爱思试剂有限公司；碘化钾(KI，分析纯)购自天津福晨化学试剂厂；乙酸铵(NH Ac，分析纯)、氢氧化锂(LiOH，分析纯)、硫酸(优级纯)均购自国药集团；甲醇(色谱纯)购自 Fisher 公公；Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)标准试剂购自百灵威公司；超纯水(18.2MQ·cm)均来自 Milli-Q 纯水系统。 1.2 试剂配制 混合标准溶液配制：配制三价铬和六价铬质量浓度为1.0 g/L 和0.1 g/L的储备液；逐级稀释成50ug/L 和5 pg/L、100ug/L 和10 ug/L、200 ug/L和20 ug/L、500 pg/L 和 50 pg/L、1000 ug/L和100 ug/L 5 组不同质量浓度的混合标准溶液c 淋洗液储备液：准确称取3.34 g PDCA， 3.34 gKI， 38.8g NH Ac ， 1.2 g LiOH 溶于 1000 mL 超纯水中，用0.1 mol/L LiOH 溶液调节pH 值至6.8。其中 PDCA 较难溶于水，需加热促进溶解。稀释10倍即可得到离子色谱淋洗液和 ASE 萃取溶剂(内含2 mmol/LPDCA、2 mmol/LKI、100rmmol/LNHAc、2.8 mmol/L LiOH的水溶液，pH值为6.7~6.8)。 柱后衍生液：准确称取0.5 g DPC溶于100 mL甲醇中，在约500 mL超纯水中加入25mL浓硫酸，将上述两种溶液混合，定容至1000mL，得到内含2mmol/L DPC、10%(v/v)甲醇、2.5%(v/v)硫酸的水溶液。 1.3 样品前处理及ASE 萃取条件 将塑料样品压碎，然后使用冷冻粉碎机粉碎至粉末。准确称取样品10.0 g，加入石英砂适量，混合均匀，转至底层垫有玻璃纤维素膜的萃取池(锆合金(Zr)萃取池，66mL)中，快速溶剂萃取。 ASE 萃取条件：提取溶剂为内含2 mmol/L PDCA、2mmol/L KI、100 mmol/L NH Ac、2.8mmol/LLiOH 的水溶液；提取温度为100℃；预热温度为5min；静态萃取时间为5 min，循环萃取2次；吹扫体积为60%，吹扫时间为90 s. 萃取液定容至100mL，过 0.45 um滤膜，待IC 分析。 1.4 色谱条件 色谱柱：IonPac CS5A 分析柱(250mmx4mm)与 IonPac CG5A 保护柱(50mmx4mm)。淋洗液：内含2 mmol/L PDCA、2 mmol/L KI、100mmol/L NH Ac、2.8 mmol/L LiOH 的水溶液，等度洗脱；淋洗液流速：1.0 mL/min。柱后衍生试剂：内含2 mmol/L DPC、10%(v/v)甲醇、2.5%(v/v)硫 酸的水溶液；柱后衍生泵开启时间：6 min；柱后衍生液流速：0.5 mL/min。检测波长：0~6 min， 365nm (Cr(Ⅲ))；6~11 min， 530 nm (Cr(Ⅳ))。进样量：250pL。 2 结果与讨论 2.1 ASE条件优化 对三价铬和六价铬同时检测时，六价铬采用柱后衍生，而三价铬需要柱前衍生，即在进样前和衍生试剂 PDCA 生成稳定的络合物。李静等的报道和戴安公司的技术资料TN2416]均采用加热煮沸的方法使三价价和 PDCA反应。本方法采用 ASE 同时对三价铭和六价铬进行提取，在萃取液中加入衍生试剂，同样达到了对三价铬柱前衍生的目的。据报道，PDCA 在加热煮沸的情况下与三价铬反应产生的配合物在335 nm 处有紫外吸收11，16]。结合IC分析条件，采用 IC 淋洗液作为 ASE 的萃取剂，100℃作为提取温度，使三价铬在100℃高温下与衍生试剂 PDCA 进行配合反应。提取完成后冷却，用萃取液定容至指定体积即可直接分析，省去了调节pH等繁琐过程。 2.2 ASE 萃取池选择 ASE 具有不锈钢(SST)和锆合金两种材质的萃取池，为考察不同材质萃取池的空白值大小，分别对不锈钢萃取池和锆合金萃取池做空白试验。当采用不锈钢萃取池做空白试验时，萃取液呈现出微红色，经检测，不锈钢萃取池中萃取出 30 ug/L左右的三价，未检测出六价介(见图1)；反复萃取，三价铬含量呈无规律变化，不适合作为三价铬、六价铬的萃取。而采用锆合金萃取池做空白实验时，未检测出 图1 (a)不锈钢萃取池和(b)锆合金萃取池空白试验的色谱图 Fig. 1 Chromatograms for blank tests with(a) SST cell and (b) Zr cell The separations were performed on an IonPac CS5A columnwith the mobile phase of 2 mmol/L PDCA， 2 mmol/L KI， 100mmol/L NH Ac， 2.8 mmol/L LiOH at a flow rate of1 mL/min，and detected directly by an ultraviolet detector. 三价铬及六价铬；反复萃取，均未检测出三价铬和六价铬。所以本实验采用锆合金萃取池作为 ASE 的萃取池。 2.3 离子色谱条件选择 本方法对三价铬采取柱前衍生的方法进行检测，对六价铬采用柱后衍生法进行检测。但若柱后淋洗液全程与柱后衍生试剂混合，背景噪声升高，使得三价铬的检测灵敏度降低。据报道使用该方法时三价铬的检出限为23.3 ug/LI。本方法为提高三价铬的检出限，在检测三价铬的时候不泵入柱后衍生试剂，而在检测六价铬的时候才泵入柱后衍生试剂对六价进行衍生。为使六价铬检测时柱后衍生试剂与柱后淋洗液混合均匀且压力稳定，需要使三价铬和六价铬的保留时间间隔拉长。文献采用2mmol/L PDCA，2 mmol/L Na， HPO4，10 mmol/LNaI， 50) mmol/L CH，COONH 和 2.8 mmol/LLiOH 作为淋洗液11，16]。其中KI主要起淋洗作用，本实验适当降低KI浓度，可使三价铬和六价铬保留时间间隔拉长且能够保证在检测六价铬时压力稳定，基线平稳(色谱图见图2，中间突出部分为压力变化和波长切换所致)。同时本实验采用 NH Ac和 LioH 调节pH值至6.70-6.80，以便于两种形态铬的分离和检测。经过试验调整，本方法最终采用淋洗液组成为2 mmol/L PDCA、2 mmol/L KI、100 mmol/L NH Ac、2.8 mmol/L LiOH。 图2 Cr(Ⅲ)和 Cr(Ⅵ)混合标准溶液的色谱图 Fig. 2 Chromatogram of a mixture of Cr(Ⅲ)and Cr(Ⅵ) standards The chromatographic conditions were the same as in Fig. 1. 本实验比较了不同柱后衍生液流速(0.2、0.3、0.4和0.5 mL/min)对六价铬检测的影响。实验结果(见图3)表明：在六价铬为高浓度的情况下，以单位浓度响应值为纵坐标，柱后衍生液流速为横坐标做曲线，曲线几乎为水平直线，说明衍生液流速对六价铬衍生效果的影响不大。而当六价铬浓度较低时，较高流速的衍生液能够获得更高的响应值，单位 图3 衍生液流速对不同浓度 Cr(Ⅵ)单位浓度响应值的影响 Fig. 3 Effects of the flow rate of derivatization reagenton the response value of Cr(Ⅵ) per unit concen-tration at different concentrations 响应值和柱后衍生液曲线呈上升趋势。因此本实验使用0.5 mL/min 作为柱后衍生试剂的流速，结果与李静等报道的柱后衍生液流速吻合。同时比较了反应管(375pL和750pL)和柱后反应温度(20、30和40℃)对六价铬衍生的影响，发现反应管的体积及反应温度对衍生无明显影响。所以本方法采用375 uL 和30℃作为反应管的体积和柱后反应温度。 2.4 转化试验 为防止三价铬和六价铬在 ASE 萃取过程中发生相互转化，分别对三价铬和六价铬做了转化试验。分别于空白样品中单独加入三价铬或六价铬标准样品进行试验。实验结果表明：单独进行三价铬加标回收试验时，三价铬的加标回收率达到99%；单独进行六价铬加标试验时，六价铬的加标回收也达到了97%。说明三价铬和六价介在 ASE 萃取过程中未生相互转化。 2.5 线性关系、检出限及加标回收率 采用在空白基质中添加目标组分的方法，依据色谱峰的信噪比(S/N)大于3倍确定检出限(LOD)， S/N大于10倍确定定量限(LOQ)。本方法对三价铬和六价铬的仪器检出限分别为5.0ug/L和0.5 ug/L，定量限分别为16.3 pg/L和1.6ug/L。在空白基质中添加标准物质Cr(Ⅲ)和 Cr(Ⅵ)，制作标准工作曲线。Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)分别在50~1000 pg/L和5.0~100 ug/L呈现良好的线性关系，以峰面积(Y)为纵坐标、标准溶液的质量浓度(X， ng/mL)为横坐标绘制标准曲线，线性方程分别为￥=0.0037X-0.0035和Y=0.0571X-0.0193，相关系数分别为0.9994和0.9998。 准确称取样品10 g，加入一定量浓度的三价铬和六价铬混合标准溶液，按1.3节对样品进行处理， 并按1.4节色谱条件进行测定，计算平均回收率，结果见表1和图4。。 三价铬和六价铬的平均回收率范围分别为90.7%~98.5%和97.3%~101.1%， RSD分别为2.8%~4.4%和1.7%~3.0%。 表1 不同加标水平下三价铬和六价铬的回收率及其相对标准偏差(n=5) Table 1 Recoveries and their relative standarddeviations of Cr(Ⅲ) and Cr(Ⅵ) atdifferent levels (n=5) Cr( Ⅲ) Cr(Ⅵ) Added/ Recovery/ RSD/ Added/ Recovery/ RSD/ (ug/L) % % (ug/L) % % 50.0 90.7 4.4 5.0 97.3 3.0 100.0 95.3 3.9 10.0 99.2 2.5 500.0 98.5 2.8 50.0 101.1 1.7 图4 (a)样品及(b)加标样品(Cr(Ⅲ) 100 pg/L，Cr(Ⅳ) 10 ug/L)的色谱图 Fig. 4 Chromatograms of (a) a blank sample and(b) a spiked sample (Cr(Ⅲ) 100)ug/L，Cr(Ⅵ) 10 pg/L) The chromatographic conditions were the same as in Fig.1. 2.6 样品检测 按1.3节样品前处理的方法，分别对玩具车、塑料积木1塑料积木2、汽车配件1、汽车配件2和镀金塑料等6个塑料料品进行样品前处理，按1.4节色谱条件测定样品中三价铬和六价铬的含量。采用外标法分别对不同塑料样品中三价铬、六价铬定量分析。实验结果表明：6个塑料样品中均检测出了三价铬，含量依次为182.1、103.6、78.4、95.1、186.0和371.6 ug/kg；而只有镀金塑料中检测出了六价铬，其含量为 19.1 pg/kg，其他样品中六价铬均未检出。 3 结语 本文采用快速溶剂萃取-离子色谱-紫外检测的方法检测塑料中的三价铬和六价价，具有简单、快速、灵敏度高、选择性好等特点。该方法能够满足最新欧盟玩具指令中对三价铬和六价铬的检测要求，具有较高的实用价值。 ( 参考文献： ) ( [1] Luo D J， B ian Z Y， Guo P Y， et al. 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